微弱信号的放大--备战2014电赛

1、12:39212:39“微弱信号微弱信号”不仅意味着信号的幅度很小，不仅意味着信号的幅度很小，而且主要指的是被噪声淹没的信号。而且主要指的是被噪声淹没的信号。“微弱微弱”是相对于噪声而言的。是相对于噪声而言的。 0tui信号信号信号信号噪声噪声噪声噪声噪声噪声/干扰干扰3首要任务首要任务提高信噪比提高信噪比微弱信号的检测就是利用电子学、物理学等方法，分析噪声产生的原因和规律，研究被测信号的特点和相关性，检测被噪声淹没的微弱信号。12:39传感器传感器前置放大主放大器去噪处理4适用于信号与噪声频谱不重叠的情况。可以把滤波器的通带设置为能够覆盖有用信号的频谱。12:395缓慢变化的信号或直流信号1

2、/f 噪声温度漂移时间漂移12:396无论什么类型信号，对有用信号来讲，无论什么类型信号，对有用信号来讲，没有用的信号都认为是噪声没有用的信号都认为是噪声/ /干扰干扰。通常把由于材料或器件的物理原因产生通常把由于材料或器件的物理原因产生的扰动称为的扰动称为噪声噪声；把来自外部原因的扰动称；把来自外部原因的扰动称为为干扰。干扰。干扰有一定的规律性，可以减少或消除。干扰有一定的规律性，可以减少或消除。12:397干扰形成的三个条件 干扰源 对干扰敏感的客体 从干扰源到客体之间的传输途径干扰可以表现为尖峰、阶跃、正弦波或随机噪声。干扰源到处都存在：机械、靠近电源线、射频发送器与接收器、计算机及同一

3、设备的内部电路(例如，数字电路或开关电源)。12:39场耦合最常见的耦合方式。难计算8干扰耦合途径：电磁辐射耦合：导体接收空间电磁辐射耦合 电场耦合：因寄生电容引起的电荷耦合磁场耦合：因两个电路的互感引起的磁链耦合12:39设干扰辐射场的波长为，在小于/2的距离内，电路之间经由场的耦合过程需分别考虑电场耦合和磁场耦合。在距离干扰源/2以上，主导的耦合方式是辐射电磁场。9干扰耦合途径：电场耦合通过导线之间的分布电容来计算磁场耦合通过导线之间的互感来计算12:39传导耦合 经导线传导引入的干扰噪声。传导耦合与公共阻抗耦合交流电源线会将工频电力线噪声引入到检测装置；长信号线会把工频和射频电磁场、雷电

4、等感应出的噪声引入信号系统；噪声源和检测电路之间的电气连接噪声耦合的直接途径。10干扰耦合途径：12:39解决传导耦合的一种方法是使信号尽量远离噪声源，另一种方法是在干扰噪声传导到检测系统之前，采取有效的去耦和滤波措施公共阻抗耦合传导耦合与公共阻抗耦合11电路1电路2i1i2ZCZGBA公共导线公共导线公共导线公共导线波波动动工作受工作受到影响到影响电位波动电位波动电位波动电位波动干扰耦合途径：12:3912干扰耦合途径：由供电电源引入的干扰噪声：电源电路中整流器、电压调节等器件的固有噪声整流不理想工频电网中其它电气设备 叠加高频噪声，尖峰噪声电源线上的射频串入12:39认识干扰，防止干扰在电

5、路附近出现，知道它是如何进入并且如何消除或者找到对付干扰的方法是一个很大的题目。 1312:39使得被放大的信号中的噪声进一步增加。使得被放大的信号中的噪声进一步增加。14传感器前置放大本底噪声放大器内部固有噪声在放大有在放大有用信号的用信号的同时也放同时也放大了噪声大了噪声不合理的电路结构可能引不合理的电路结构可能引入的外界干扰噪声入的外界干扰噪声12:39放大器及其电路中元器件本身产生的噪声与外界的干扰（或无用信号）在放大器的某一端产生的电压或电流噪声或其相关电路产生的噪声之间是有区别的。1512:39影响放大器噪声性能的参数有很多，但最重要的两个参数是：电压噪声和电流噪声。电流噪声电流噪

6、声电流噪声密度，电流噪声密度， 单位：单位：电压噪声电压噪声电压噪声密度，单位：电压噪声密度，单位： 在没有其它噪声干扰的情况下，放大器在没有其它噪声干扰的情况下，放大器输入短路时出现在输出端的电压波动输入短路时出现在输出端的电压波动 在没有其它噪声干扰的情况下，放大器输在没有其它噪声干扰的情况下，放大器输入开路时出现在输出端的电流波动入开路时出现在输出端的电流波动 1612:39在运算放大器的输出端出现的噪声用电压噪声en来度量。电压噪声源和电流噪声源都能产生噪声。运算放大器所有内部噪声源通常都折合到输入端，即看作与理想的无噪声放大器的两个输入端相串联或并联不相关或独立的随机噪声发生器。17

7、12:39图图1. 1. 一个噪声双端口网络可以表示为一个无噪一个噪声双端口网络可以表示为一个无噪声双端口网络加外部电流噪声源声双端口网络加外部电流噪声源I In1n1和和I In2n2 02111VVIIn02122VVIIn1812:39图2. 一个噪声双端口网络还可以表示为一个无噪声双端口网络加输入端上的外部噪声源Vn和In nVIBAVV)(221nIIDCVI)(2211912:39运算放大器噪声有三个基本来源运算放大器噪声有三个基本来源 2012:39具体来讲，运放内部包含大量晶体管，因此有大量的PN结，这些都是射击噪声（shot noise）源；运放内部还包含一定数量的电阻，它们

8、都会产生热噪声；运放引脚级内部连接总会涉及不同金属的接触，因此1 / f 噪声必然存在。所有这些构成了运放内部固有噪声。 在实际应用中许多噪声源都属于白噪声和高斯噪声。2112:392Ne2NiSe(f)/(nV2/Hz)fAfcefBf电压源的电压源的功率谱密度分布功率谱密度分布fAfcifBf电流源的电流源的功率谱密度分布功率谱密度分布Si(f)/(pA2/Hz)运算放大器等效输入噪声源的功率谱密度分布运算放大器等效输入噪声源的功率谱密度分布噪声电压的平方噪声电压的平方根谱密度，单位根谱密度，单位为为HzV /噪声电流的平方噪声电流的平方根谱密度，单位根谱密度，单位为为HzA/2212:3

9、9图图3. 3. 放大器和相关噪声成份的实例 2312:39放大器电路的总噪声取决于放大器本身、外部电路阻抗、增益、电路带宽和环境温度等参数。电路的外部电阻所产生的热噪声也是总噪声的一部分。 特定频率下运算放大器总输入噪声 反相输入等效串联电阻；同相输入等效串联电阻特定频率下输入电压噪声密度特定频率下输入电流噪声密度绝对温度k=1.38 x 10-23 J/K (波尔兹曼常数)。)(4)(222npnnpntRRkTiRRee2412:39带宽范围内的总噪声 BWeVtt源阻抗继续增大时，电流噪声成为噪声的主要因素。 25电路源阻抗对噪声的影响12:39源阻抗较低的系统，电压噪声是主要的噪声来

10、源；源阻抗增大时，电阻噪声占主导地位，甚至可以忽略放大器的电压噪声噪声系数噪声系数： 对于线性二端口网络，us为信号源电压，Rs为信号源输出电阻，RL为放大器负载电阻。噪声系数 噪声功率放大器无噪声时的输出输出总噪声功率F“放大器无噪声时的输出噪声功率”指的是仅由输入噪声经放大引起的输出噪声功率。 2612:39对于一个无噪声的理想对于一个无噪声的理想放大器，放大器，F=1。而对于具有内。而对于具有内部噪声源的实际放大器，部噪声源的实际放大器，F1，F越大，说明放大器内部噪声越大，说明放大器内部噪声越严重。越严重。2712:39级联放大器的噪声系数级联放大器的噪声系数： 121213121.1

11、.11MMKKKFKKFKFFF2812:39级联放大器的噪声系数级联放大器的噪声系数 级联放大器中各级的噪声系数对总噪声系数的影响是不同的，第一级影响最大。如果第一级的功率放大倍数K1足够大，则系统总的噪声系数F主要取决于第一级的噪声系数F1。在设计微弱信号低噪声放大系统时，必须。因此，前置放大器的器件选择和电路设计是至关重要的。 121213121.1.11MMKKKFKKFKFFF2912:393012:39BJT的噪声特性由于基区载流子的复合率有起伏，使得集由于基区载流子的复合率有起伏，使得集电极电流和基区电流的分配有起伏，从而电极电流和基区电流的分配有起伏，从而使集电极电流有起伏使集

12、电极电流有起伏3112:393212:393312:393412:39FET的噪声特性3512:393612:39低噪声放大器的设计低噪声放大器的设计 前置放大器是引入噪声的主要部件之一。设计低噪声前置放大器的内容包括选择低噪声半导体器件，确定电路级数和电路组态，确定低噪声工作点，进行噪声匹配等工作。低噪声设计还要确定抑制外来干扰的技术措施，这对于前置放大器的尤其重要。3712:39一、器件的选择一、器件的选择 38 无源器件的选择在低噪声设计中常用云母和瓷介电容器。大容量电容器中，铝壳的电解电容器漏电较大，钽电解电容器漏电小，所以钽电解电容器适合在低噪声电路中使用。 电容器的选择12:393

13、9各种电阻的噪声指数 电阻的选择12:39为使噪声系数最小，不同频段选用半导体三极管参数要求参数00rbbCbefTfLIc低频大小低小中频大小小小高频大小小高适当12:39 有源器件的选择有源器件的选择 前置放大器一般都是直接与传前置放大器一般都是直接与传感器相连接的，只有在放大器的最感器相连接的，只有在放大器的最佳源电阻等于信号源输出电阻的情佳源电阻等于信号源输出电阻的情况下，才能使电路的噪声系数最小。况下，才能使电路的噪声系数最小。所以，对前置放大器必须考虑所以，对前置放大器必须考虑噪声噪声匹配匹配的问题。的问题。 4112:39 低噪声放大器应尽可能选用低噪声放大器应尽可能选用eN i

14、N小的器件，小的器件，这样才能使放大器的最小噪声系数较小。这样才能使放大器的最小噪声系数较小。还要考虑的问题：因为器件的还要考虑的问题：因为器件的eN iN以及噪以及噪声系数都是频率声系数都是频率 f 的函数，各种低噪声器件只的函数，各种低噪声器件只是在一定的频率范围内才能达到其最小噪声系是在一定的频率范围内才能达到其最小噪声系数。所以，对于低频信号应考虑选用低频低噪数。所以，对于低频信号应考虑选用低频低噪声器件；对于通信接收机的前置级，则应选用声器件；对于通信接收机的前置级，则应选用高频和微波低噪声器件。高频和微波低噪声器件。 根据信号源电阻根据信号源电阻Rs的大小，可以选用合适类的大小，可

15、以选用合适类型的器件，以使器件的源电阻型的器件，以使器件的源电阻达到匹配达到匹配（RSO RS）。）。4212:39从源电阻考虑从源电阻考虑11010210310410510610710810910101011变压器耦合变压器耦合双极型晶体管双极型晶体管结型场效应管结型场效应管MOS场效应管场效应管集成运算放大器集成运算放大器源电阻源电阻Rs /4312:39从工作频率考虑从工作频率考虑4412:39噪声电压主要由电阻的热噪声以及输入基极电流的高频区射击（肖特基）噪声所造成，低频噪声电平大小取决于流入电阻的输入晶体管基极电流产生的低频噪声；噪声电流主要由输入基极电流的射击噪声及电阻的低频噪声所

16、产生。双极输入运算放大器的噪声：不同运算放大器的输入级采用不同的结构，因此晶体管结构上的差异令不同放大器的噪声量也大不相同12:39例：MAX410该类放大器的单位增益带宽的典型值小于30MHz。eN=1.8nV/Hz，iN=1.2pA/Hz双极型放大器的电压噪声通常在其等效源阻抗小于200时占主导地位。较大的输入偏置电流（80nA）以及相对较大的电流噪声使双极型放大器非常适合源阻抗较低的应用。 4612:39噪声电压主要由高频区通道电阻的热噪声及低频区的低频噪声所造成，CMOS放大器的转角频率(corner frequency)比双极放大器高，而宽带噪声也远比双极放大器高；噪声电流主要由输入

17、门极漏电的射击噪声所产生，CMOS放大器的噪声电流远比双极放大器低，但温度每升高10(C，其噪声电流便会增加约40%。CMOS CMOS 输入运算放大器的噪声输入运算放大器的噪声12:39CMOS输入低噪声放大器能够提供与双极型设计相当的电压噪声指标。CMOS输入放大器的电流噪声与最好的JFET输入设计相当，甚至优于JFET输入放大器。单电源供电时可提供超低失真(0.0002% THD+N)例：MAX4475输入电压噪声密度：4.5nV/Hz输入电流噪声密度：0.5fA/Hz4812:39JFET输入放大器输入放大器 JFET输入低噪声放大器（如ADA4627）具有超低输入电流噪声密度(0.5

18、fA/Hz)，但输入电压噪声密度相对较大(大于10nV/Hz)，JFET设计允许单电源工作。1pA的输入偏置电流使JFET放大器非常适合高阻抗信号源应用。由于JFET放大器的电压噪声较大，在源阻抗较低的应用中，它通常不是设计工程师的首选。 4912:395012:39对于低频信号，低频前置放大器要求对于低频信号，低频前置放大器要求能够无损失地获取传感器中发送的信号，能够无损失地获取传感器中发送的信号，同时尽量提高该信号与前置放大器中产生同时尽量提高该信号与前置放大器中产生的噪声的比值。因此，需要提高前置放大的噪声的比值。因此，需要提高前置放大器的输入阻抗，使它比信号源的阻抗高得器的输入阻抗，使

19、它比信号源的阻抗高得多。多。 5112:39采用CMOS输入的低噪声放大器具有非常低的偏置电流和失调电压，以及非常高的输入阻抗。这些非常适合源阻抗较高（如光电二极管前置放大器）的信号调理。5212:391k10mV1k传感器传感器RSRin100倍倍A1M10mV1k传感器传感器RSRin100倍倍B5mV9.99mV信号源阻抗信号源阻抗信号 500mV噪声 1mVS/N 50054(db)信号 999mV噪声 1mVS/N 99960(db)如果Rin低，即使噪声输出相同的放大器，S/N 也差，而且误差也会变大图5312:39在高频电路中，使信号源阻抗、电缆线阻在高频电路中，使信号源阻抗、电

20、缆线阻抗以及前置放大器的输入阻抗三者相等，以达抗以及前置放大器的输入阻抗三者相等，以达到噪声匹配。到噪声匹配。一般来讲，双极型晶体管的一般来讲，双极型晶体管的eN较较小，故其小，故其Rso较小，比较适合于源电阻较小的情较小，比较适合于源电阻较小的情况；而场效应管的况；而场效应管的iN较小，故其较小，故其Rso较大，比较较大，比较适合于源电阻较大的情况。适合于源电阻较大的情况。对于高频信号，由于信号波长相对于传输对于高频信号，由于信号波长相对于传输电缆线长度不可忽略的高频电路中，当信号源电缆线长度不可忽略的高频电路中，当信号源阻抗与输入阻抗不同时，就会产生阻抗与输入阻抗不同时，就会产生驻波驻波，

21、导致，导致频率特性混乱。频率特性混乱。 5412:39二、偏置电路与直流工作点选择二、偏置电路与直流工作点选择 偏置电路低噪声设计I1R1RCC1R2CeRe1Re2RSesIERe1应该使用低噪声电阻（金属膜电阻或线绕电阻），在工作频段的低端，旁路电容的电抗应该足够小，以便把Re2的噪声减少到可以忽略的地步。 5512:39在交流等效电路中，如果Rp = R1 / R2与源电阻RS相比足够大，则它们产生的噪声经过Rp和RS串联分压后可得到有效衰减，与源电阻RS的热噪声相比可能就很小，所以，R1和R2也应该采用1/ f 噪声很低的优质电阻。 I1R1RCC1R2CeRe1Re2RSesIE56

22、12:39RCCeRe1R3R4Re2RSesIERpC1R3和R4的噪声被C旁路，减少了1/f 噪声的影响。在交流等效电路中， Rp可以等效为与信号源相并联，为了使其产生的噪声经过Rp和Rs串联分压后得以有效衰减，要求Rp与Rs相比要足够大，但要注意与偏置稳定性相权衡。C5712:39 直流工作点选择直流工作点选择对于直接耦合方式的放大器，在选定有源器件后，必须选择合适的工作点，以使放大器的最佳源电阻RSO等于信号源电阻RS，这样才能使放大器的噪声系数达到其最小值Fmin。5812:39NF/db0246810-310-210-1110IC / mABJT的的NF-IC关系曲线关系曲线2N4

23、250f=1KHzRs=100k10k1k每种特定的RS值都有一个使NF达到最小的点，该点所对应的集电极电流IC是唯一的。此外，最佳源电阻随集电极电流的增加而减少。可见，当源电阻确定时，通过调节工作点可以使NF达到最小。 5912:39 噪声匹配噪声匹配 利用变压器实现噪声匹配单独靠调整工作点不一定能使电路的噪声性能达到最佳，有些传感器的内阻（即源电阻）很小，这时选择器件、改变工作电流等方法来使噪声匹配比较困难。这时，可以利用变压器实现噪声的匹配。 6012:39ARSeSetenin1:n电路连接及噪声源电路连接及噪声源An2RSneSnetenin等效噪声电路等效噪声电路源电阻源电阻RS的

24、热噪声的热噪声经过变压器的变换，次级输出的源电阻增加为n2RS ，选择合适的圈数比n，能够实现噪声匹配。希望NNSOSieRRn2从而使放大器的噪声系数大为降低。变压器的匝比为SSORRn/6112:39实际使用中，变压器的线圈和铁芯会有损耗电阻，因而存在热噪声，对信号有衰减，使得信噪比变坏，但只要变压器初级的损耗电阻比信号源电阻足够小，则用变压器进行噪声匹配可以有效改善电路系统的噪声系数。 6212:39另外还要注意：上述方案是针对频率较高的交流信号而言的，对于直流信号、慢变化信号和超低频信号，因为它们不可能通过变压器进行有效传输，因此不能使用这种方法匹配。必须另选放大器和改变放大器工作状态

25、等来改善噪声系数。当频率太高时，变压器的分布电容、分布电感会带来不利影响，外部电磁干扰也会引入附加噪声，此时要求使用良好的铁芯材料，还要有完善的电磁屏蔽措施。 6312:39 有源器件并联法有源器件并联法在直接耦合方式中，可以采用多个晶体管并联工作方式来降低电路的最佳源电阻。这种方法的缺点是：并联后的等效输入电流噪声将加大M倍，但是只要信号源电阻RS足够小，就不会引起严重的问题。 6412:39对于低噪声运放，也可以采取类似的并联方法来降低最佳源电阻。M个运放并联后的最佳源电阻将减少M倍。缺点：等效输入噪声电流将增加 倍，但是只要不使用高阻值电阻，不会出现严重问题。M6512:39RLRSes

26、eteninVcc6612:39+6712:39干扰噪声的抑制干扰噪声的抑制 抑制抗干扰的思路: 抑制干扰源的噪声 消除或切断干扰噪声的耦合途径 降低客体对噪声的灵敏度 6812:39抑制干扰源的噪声抑制干扰源的噪声 69地电位差噪声采用合适的接地技术或隔离技术采用低噪声电缆，所有的连接线尽量短，尽量固定在不振动的结构上，尽量保持温度的恒定 摩擦电效应 电化学噪声、温度变化引起的噪声清洁电路板，用防潮涂料处理电路板；检测电路敏感部位采用低温度系数器件，采用差动输入放大器电路；高导热率的散热器12:3970场耦合微弱信号检测系统尽量远离时变磁场；磁场耦合采用绞扭导线，使引入到信号处理电路两端的干

27、扰电压大小相等、相位相同，使差模干扰转变成共模干扰 。微弱信号线应远离强电流干扰源，尽量贴近大面积的地线，这样可以减少该导线与其他电路导线之间的互感；12:3971场耦合磁场耦合采用低频磁屏蔽，进而减小信号线感应的磁场；C型变压器的漏感比E型的小为了减少漏磁，应使用漏磁少的变压器；用高导磁率材料容器把可能释放干扰磁场的变压器封装屏蔽，以减低变压器漏磁；也可以屏蔽检测电路，以防止外来磁场进入检测电路；12:3972场耦合磁场耦合变压器敏感电路屏蔽干扰源屏蔽干扰源屏蔽敏感电路屏蔽敏感电路12:39传导传导耦合耦合信号线尽量远离噪声源在干扰噪声传导到检测系统之前，采取有效去噪措施，如：去耦，滤波电源

28、电源耦合耦合选用低噪声、低输出阻抗的电源；在电路、放大器中增设电源滤波电容；7312:39直流电源：直流电源滤波器直流电源：直流电源滤波器 直流电源往往为几个电路所共用，为了避免直流电源往往为几个电路所共用，为了避免通过电源内阻造成几个电路间互相干扰，应在每通过电源内阻造成几个电路间互相干扰，应在每个电路的直流电源上加上个电路的直流电源上加上RCRC或或LCLC退耦滤波器。退耦滤波器。电解电容，滤电解电容，滤除低频噪声除低频噪声磁介电容或独磁介电容或独石电容，滤除石电容，滤除高频噪声高频噪声7412:39如有必要，用独立电源为微弱信号检测电路单独供电；电源电源耦合耦合在电源的交流输入端并联用压

29、敏电阻抑制尖峰脉冲/浪涌电压；用低通滤波器滤除工频电网上的射频干扰；交流电源输入输出电源滤波器抑制射频干扰7512:39输入输出相互绝缘的屏蔽层相互绝缘的屏蔽层交流电源地检测系统地7612:39隔离技术隔离技术：阻断干扰信号传导通路，并抑制干扰信号强度 常见的抗干扰技术常见的抗干扰技术屏蔽技术屏蔽技术：可抑制电磁干扰在空间的传播，并切断辐射干扰的传播途径接地技术接地技术：保护人身和设备安全；提供参考零电位；阻隔地环路滤波技术滤波技术：根据频率选择性地抑制干扰信号7712:39利用金属材料制成利用金属材料制成容器，将需要防护的电容器，将需要防护的电路包围在其中，可以防路包围在其中，可以防止电场或

30、磁场耦合干扰止电场或磁场耦合干扰。屏蔽可分为静电屏蔽。屏蔽可分为静电屏蔽、低频磁屏蔽和电磁屏、低频磁屏蔽和电磁屏蔽等几种。根据不同的蔽等几种。根据不同的对象，使用不同的屏蔽对象，使用不同的屏蔽方式。方式。 未加屏蔽罩时，中频变压器线圈易受外界干扰。加屏蔽罩后的中频变压器7812:39静电屏蔽 静电屏蔽的容器壁上允许有较小的孔洞（作为引线孔或调试孔），它对屏蔽的影响不大。 用铜或铝等导电性良好的金属为材料制作而成把需要屏蔽的电路放于屏蔽层内，外部干扰电场的电力场不影响其内部的电路，反之，容器内电路产生的电力线也不影响外部电路。条件：接地7912:39用来隔离低频磁场和静磁场用来隔离低频磁场和静磁

31、场采用高导磁材料作屏蔽层，以便让低频采用高导磁材料作屏蔽层，以便让低频干扰磁力线只从磁阻很小的磁屏蔽层上通过。干扰磁力线只从磁阻很小的磁屏蔽层上通过。使屏蔽层内部的电路免受低频磁场耦合干扰使屏蔽层内部的电路免受低频磁场耦合干扰的影响。的影响。12:39高频磁场遇到导电良好的电磁屏蔽层时，高频磁场遇到导电良好的电磁屏蔽层时，就在其外表面感应出同频率的电涡流，从而消就在其外表面感应出同频率的电涡流，从而消耗了高频干扰源磁场的能量。其次，电涡流也耗了高频干扰源磁场的能量。其次，电涡流也将产生一个新的磁场，抵消了一部分干扰磁场将产生一个新的磁场，抵消了一部分干扰磁场的能量，从而使电磁屏蔽层内部的电路免

32、受高的能量，从而使电磁屏蔽层内部的电路免受高频干扰磁场的影响。频干扰磁场的影响。采用导电良好的金属材料制作采用导电良好的金属材料制作12:39f 100MHz时，可在塑料壳体上镀或喷以铜时，可在塑料壳体上镀或喷以铜层或银层制成屏蔽体。层或银层制成屏蔽体。若将高频屏蔽层接地，就同时具有静电若将高频屏蔽层接地，就同时具有静电屏蔽的功能，也常成为电磁屏蔽。屏蔽的功能，也常成为电磁屏蔽。高频磁屏蔽层所需的厚度与干扰频率有关高频磁屏蔽层所需的厚度与干扰频率有关f 1MHz时，用时，用0.05mm厚的金属制成的屏蔽厚的金属制成的屏蔽体可将场强度减为原场强的体可将场强度减为原场强的1/100左右左右f 10

33、MHz时，用时，用0.01mm厚的屏蔽体可将场厚的屏蔽体可将场强度减为原场强的强度减为原场强的1/100甚至更低甚至更低军用屏蔽帐篷12:3983在检测系统中，可以处理的最高信号电平受电路特性的限制，但最小可检测电平取决于噪声。也就是说，噪声限制了传感器的分辨率和系统的动态范围。当一个系统的信号扰动很大，在无法区分干扰源时，可先加以屏蔽。频率高于1000Hz或阻抗大于1000欧时，一般采用金属导体屏蔽，如铝或铜等。对于低频扰动或低阻抗的情况，可采用磁屏蔽，如铁镍导磁合金等。此外，也可先给前置放大器单独供电如有效果，说明噪声主要来自外部干扰，则可进一步采取屏蔽措施。如果还不能减少扰动，就应认为噪

34、声主要是系统内部元部件的随机的基本噪声。12:39电路组件、高增益的放大器常常装在一个金属盒内，一方面形成具有一定机械强度的固定构件，另一方面保护其内部电路组件、放大器等免受电磁辐射的骚扰。屏蔽体的接地放大器屏蔽盒的接地12:39放大器与屏蔽盒之间存在寄生电容，寄生电容C1S和C3S使放大器的输出端到输入端有一反馈通路反馈如不消除，则放大器将产生自激振荡。解决方法：把屏蔽盒接至放大器的公共端，将C2S短路。当C2S时，UN0。该屏蔽体连接方式，在放大器的公共端不接地的电路中也适用。12:39频率低于1 MHz时，电缆屏蔽层的接地一般采用一端接地方式，以防止干扰电流流经电缆屏蔽层，使信号电路受到

35、干扰。一端接地还可以避免干扰电流通过电缆屏蔽层形成地环路，从而可防止磁场的干扰。电缆屏蔽层的接地点应根据信号电路的接地方式来确定。电缆屏蔽层的接地12:39电缆屏蔽层有A、B、C、D四个可能的接地点12:391. 屏蔽层接到A点，显然是不适合的因为屏蔽层的干扰电流会因此直接流入一条芯线，产生干扰电压，而且该干扰电压与信号电压是串联的。12:39B点接地时，加至放大器输入端的有干扰电压UG1和UG2，并由C1、C12分压，放大器输入端的干扰电压为)(2G1G121112UUCCCU由上式可见，这种接地方式是不能令人满意的。12:39C点接地时，加至放大器输入端的仍有电压UG1，经C1、C12分压

36、后，在放大器输入端产生的干扰电压为这种接地方式仍不理想。1G121112UCCCU12:39D点接地时，放大器输入端没有骚扰电压存在。12:39当电路有一个不接地的信号源与一个接地的放大器连接时，连接电缆的屏蔽层应接至放大器的公共端。同理，当一个接地的信号源与一个不接地的放大器连接时，连接电缆的屏蔽层应接至信号源的公共端。图(a)(d)分别表示在放大器的公共端接地，或在信号源的公共端接地12:39当频率高于1 MHz或电缆长度超过信号波长的1/20时，常采用多点接地方式，以保证屏蔽层上的地电位。长电缆应在每隔1/10波长处接地一次。由于集肤效应，减少了屏蔽层上信号电流与骚扰电流的耦合。集肤效应

37、使骚扰电流在屏蔽层外表面流动，而信号电流在屏蔽层内表面流动。同轴电缆在高频时多点接地能提供一定的磁屏蔽作用。12:39高频时电路中的杂散电容的耦合会形成地环路。这时电缆屏蔽层通过杂散电容实际上已被接地。若用一个小电容代替杂散电容，则可形成混合接地(复合接地)：低频时，因小电容对低频的阻抗很高，电路是一点接地；高频时，小电容的阻抗变得很低，电路变成多点接地。所以，这种接地方法对宽频带工作是有利的。必须指出，电缆屏蔽层的一端接地并不能防止磁场的干扰12:3995接地技术接地技术接地是为电流返回其源提供的低阻抗通道接地的要求接地的要求(1) 理想的接地应使流经地线的各个电路、设备的电流互不影响，即不

38、使其形成地电流环路，避免使电路、设备受磁场和地电位差地影响。(2) 理想的接地导体（导线或导电平面）应是零阻抗的实体，流过接地导体的任何电流都不应该产生电压降即各接地点之间没有电位差，或者说各接地点间的电压与电路中任何功能部分的电位比较均可忽略不计。(3) 接地平面应是零电位，它作为系统中各电路任何位置所有电信号的公共电位参考点。(4) 良好的接地平面与布线间将有大的分布电容，而接地平面本身的引线电感将很小。理论上，地必须能吸收所有信号，使设备稳定地工作。接地平面应采用低阻抗材料制成，并且有足够的长度、宽度和厚度。以保证在所有频率上均呈现低阻抗。12:39通常，电路、用电设备按作用可分类为：安

39、全接地（Safety Grounds）信号接地（Signal Grounds）安全接地信号接地设备安全接地接零保护接地防雷接地单点接地多点接地混合接地悬浮接地接地的分类12:39着眼于安全。接地电阻值必须小于规定的数值。 例：电烙铁的外壳的良好地接大地，保证人身安全以及焊接对象不致被静电击穿。97安全地安全地12:3998对于仪器、通讯、计算机等电子技术来说，“地”多是指电信号的基准电位/公共参考端。可以接大地，也可以与大地隔绝。常将仪器设备中的公共参考端称为信号地。作为各级电路的电流通道；保证电路工作稳定、抑制干扰。12:391. 信号接地是为了设备、系统内部各种电路的信号电压提供一个0电位

40、的公共参考点或面。2. 对于电子设备，将其底座或者外壳接地，除了提供安全接地外，更重要的是为了在电子设备内部提供一个作为电位基准电位基准的导体，以保证设备工作稳定，抑制电磁骚扰。这个导体称为接地面接地面。3. 设备的底座或者外壳往往采用接地导线连接至大地，接地面的电位一旦出现不稳定，就会导致电子设备工作的不稳定。 信号地12:39u复杂系统中，既有高频信号，又有低频信号；u既有强电电路，又有弱电电路；u既有模拟电路，又有数字电路；u既有频繁开关动作的设备，又有敏感度极高的弱信号装置。 4.信号接地的连接对象是种类繁多的电路，因此信号地线的接地方式多种多样。为了满足复杂的用电系统的EMC要求，必

41、须将不同类型的信号电路分成若干类别，以同类电路构成接地系统。12:39模拟信号地模拟信号地 101是敏感信号和小信号的返回路径，包括弱信号检测电路、传感器输入电路、前级放大电路和单片机模拟电源等，这些信号的特点是电压低、信号幅度弱并且幅值代表信号的大部分信息，特别容易受到干扰而失效或降级，所以模拟信号地线的横截面积应尽量大些。 12:39数字信号地数字信号地由于数字信号处于脉冲工作状态，动态由于数字信号处于脉冲工作状态，动态脉冲电流在接地阻抗上产生的压降往往成为脉冲电流在接地阻抗上产生的压降往往成为微弱模拟信号的干扰源，为了避免数字信号微弱模拟信号的干扰源，为了避免数字信号对模拟信号的干扰，对

42、模拟信号的干扰，两者的地线应分别设置两者的地线应分别设置，再汇集于所选择的一点，再汇集于所选择的一点。102数字数字逻辑信号（单片机逻辑信号、时钟信号、逻辑信号（单片机逻辑信号、时钟信号、通信总线上的信号）的返回路径。通信总线上的信号）的返回路径。12:39信号源地信号源地传感器可看作是测量装置的信号源，多数情况下信号较为微弱，可以认为传感器的公共参考端就是信号源地线，它必须与测量装置进行正确的连接才能提高整个检测系统的抗干扰能力。负载（功率）地负载（功率）地是大功率信号的地。负载的电流一般都比前级信号电流大得多，负载地线上的电流有可能干扰前级微弱的信号，因此负载地线必须与其他信号地线分开。1

43、0312:39一点接地混合式接地两端接地缺陷：当两个接地点之间存在地电位差噪声时，该地电位差噪声将导致干扰电流流过屏蔽层1MHz1MHz104单点接地和多点接地单点接地和多点接地 12:39105（1）各点电位不为0，从抑制干扰角度考虑，该方式最不适用。分析：（2）结构比较简单，各个电路的接地引线比较短，其电阻相对小，所以，常用于设备机柜中的接地或各接地电平差别不大的电路。（3）如果各个电路的接地电平差别不大，可以采用这种接地方式。需要注意：高电平电路会干扰低电平电路。（4）采用共用地线串联一点接地时必须注意，要把具有最低接地电平的电路放置在最靠近接地点G的地方（A点），使B点和C点的接地电位

44、受其影响最小。 12:39当频率低于1MHz时电路1电路2电路3ABCi1i2i3R1R2R3uA = R1i1uB = R2i2uC = R3i3特点：各路地电流不耦合高频时，各级经分布C及L耦合10612:39（3）该方式不适合于高频，高频时地线长度接近于1/4波长时，输入阻抗无穷大，即相当于开路 ，地线不仅起不到作用，还将有很强的天线效应向外辐射干扰信号。缺点：（1）各个电路分别采用独立地线接地，需多根独立地线，增加地线长度，阻抗增大；使用麻烦，结构笨重。（2）各地线间耦合随频率f 增加，地线阻抗、地线间电感及电容都增大一般要求地线长度不应超过信号波长的1/20。 适用于几适用于几MHz

45、以下以下设计多级电路的地线应注意以下两个原设计多级电路的地线应注意以下两个原则：则：1. 1. 公用地线截面积应尽量大些，以减公用地线截面积应尽量大些，以减小地线的内阻；小地线的内阻；2. 2. 应把电流最大的电路放在距电源的应把电流最大的电路放在距电源的接地点最近的地方。接地点最近的地方。12:39电路1电路2电路3当频率高于10MHz时板地，可以板地，可以是金属板条，是金属板条，也可以是金也可以是金属机壳属机壳特点： 适用于高频，板地镀银降低高频阻抗； 低频特性劣于单点接地。10812:39分析:（1）为了降低电路的地电位，每个电路的地线应尽可能缩短，以降低地线阻抗。（2）但在高频时，由于

46、集肤效应，高频电流只流经导体表面，即使加大导体厚度也不能降低阻抗。多点接地方式的优点：地线较短，适用于高频情况。缺点：形成各种地线回路，造成地回环路干扰，（3）为了在高频时降低地线阻抗，通常要将地线和公共地镀银。12:39混合接地特点：兼顾高频和低频11012:39 总结：单点接地适用于低频，多点接地适用于高频。 频率在1MHz以下 采用一点接地方式； 频率高于10MHz应 多点接地； 频率在110MHz之间， 混合接地。一般情况，若一点接地，电线长度不超过0.05，否则应采用多点接地(还要看接地电流的大小，以及允许在每一接地线上产生多大的电压降)若一个电路对该电压降很敏感，则接地线长度应不大

47、于0.05或更小。如果电路只是一般的敏感，则接地线可以长些(如0.15)。12:39地之间的连接地之间的连接 地间电路板普通走线连接：使用这种方法可以保证在中两个地线之间可靠的低阻抗导通，但仅限于中低频信号电路地之间的接法。 地间大电阻连接：大电阻的特点是一旦电阻两端出现压差，就会产生很弱的导通电流，把地线上电荷泄放掉之后，最终实现两端的压差为零。 地间电容连接：电容的特性是直流截止和交流导通，应用于浮地系统中。11212:39地之间的连接地之间的连接 地间磁珠连接：磁珠等同于一个随频率变化的电阻，它表现的是电阻特性。应用于快速小电流波动的弱信号的地与地之间。 地间电感连接：电感具有抑制电路状

48、态变化的特性，可以削峰填谷，通常应用于两个有较大电流波动的地与地之间。 地间小电阻连接：小电阻增加了一个阻尼，阻碍地电流快速变化的过冲；在电流变化时候，使冲击电流上升沿变缓。11312:39按滤波器频率特性分类： 高通、低通、带通、带阻按滤波器对干扰信号的处理方式分类： 反射式、吸收（损耗式）按滤波器构成形式： 硬件滤波器、软件滤波器 滤波技术滤波技术11412:39115交流电源滤波器 电源网络吸收了各种高、低频噪声，常用LC滤波器或专用滤波器来抑制混入电源的噪声。 带交流电源 滤波器的插座12:39直流电源滤波器 直流电源往往为几个电路所共用，为了避免通过电源内阻造成几个电路间互相干扰，应

49、在每个电路的直流电源上加上RC或LC退耦滤波器。滤波电容要用高频小电容旁路，各部分电路的电源滤波电容尽可能靠近该电路。11612:39晶闸管隔离：可代替继电器驱动负载，不会产生火花或电弧干扰。 隔离技术隔离技术变压器隔离：隔离低频干扰信号（只能传输交流只能传输交流信号信号）扼流圈隔离：抑制高频干扰（可传输交、直流信号）光电耦合隔离：输入量、输出量都是电流，但两者之间相互绝缘。可隔离两电路单元间的干扰信号。继电器隔离：实现强、弱电器件间的隔离，驱动大功率设备。有触点，通断时会产生火花或电弧引起干扰。11712:39隔离技术隔离技术变压器隔离：隔离低频干扰信号（只能传输交流只能传输交流信号信号）1

50、18阻隔地回路的形成来抑制地回路干扰采用隔离变压器不能传输直流信号，也不适于传输频率很低的信号。但是，隔离变压器对地线中较低频率的干扰具有很好的抑制能力。同时，电路中的信号电流只在变压器绕组连线中流过，因此可避免对其它电路的干扰。12:39隔离技术隔离技术扼流圈隔离：抑制高频干扰（可传输交、直流信号）119纵向扼流圈又称为中和变压器，对地回路共模干扰电流呈现出相当高的阻抗，使其受到抑制。所以，扼流圈对信号电流不起扼流作用，并且不切断直流回路。扼流圈对地回路干扰电流呈现高阻抗，起到抑制地回路干扰的作用。 由两个绕向相同、匝数相同的绕组构成，常用双线并绕。信号电流在两个绕组流过时方向相反，称为异模

51、电流，产生的磁场相互抵消，呈现低阻抗。 地线中的干扰电流流经两个绕组的方向相同，称为共模电流，产生的磁场同向相加。12:39光耦合器是一种电光电耦合器件，其输入、输出量均为电流，但两者之间从电气上看却是绝缘的，输入、输出回路的绝缘电阻可高达1010、耐压超过1kV。光耦中的发光二极管一般采用砷化镓红外发光二极管，而光敏元件可以是光敏二极管、三极管、达林顿管，甚至可以是光敏双向晶闸管、光敏集成电路等。 隔离技术隔离技术120光电耦合隔离，可较大地提高系统的抗共模干扰能力。 光电耦合对数字电路特别适用。在模拟电路中，由于电流与光强的线性关系较差，在传输模拟信号时会产生较大的非线性失真，故光电耦合器

52、的使用受到限制。光电耦合器完全切断了两个电路的地回路。两个电路的地电位即使不同，也不会造成干扰。12:39关于旁路与去耦关于旁路与去耦在电路板上每个器件的电源与地线之间放置一个0.010.1F的电容，滤除高频噪声。在制作电路板时，常做的事：在电路板的电源接入端放置一个110F的电容，滤除低频噪声；旁路旁路是指给信号中的某些有害部分提供一条低阻抗的通路。旁路电容主要针对高频(20MHz）干扰的，而电源中高频干扰是典型的无用成分，需要将其在进入目标芯片之前提前除去。12112:39退耦/去耦（Decouple），在电源中退耦表示，当芯片内部进行开关动作或输出发生变化时，需要瞬时从电源在线抽取较大电

53、流，此瞬时的大电流可能导致电源在线电压的降低，从而引起对自身和其他器件的干扰。为了减少这种干扰，需要在芯片附近设置一个储电的“小水池”以提供这种瞬时的大电流能力。关于旁路与去耦关于旁路与去耦在电源电路中，旁路和退耦在电源电路中，旁路和退耦都是为了减少电源噪声。旁路主都是为了减少电源噪声。旁路主要是为了减少电源上的噪声对器要是为了减少电源上的噪声对器件本身的干扰；退耦是为了减少件本身的干扰；退耦是为了减少器件产生的噪声对电源的干扰。器件产生的噪声对电源的干扰。12212:3912312:3912412:39125end12:39双绞线的英文名字叫Twist-Pair。是综合布线工程中最常用的一种

54、传输介质。双绞线采用了一对互相绝缘的金属导线互相绞合的方式来抵御一部分外界电磁波干扰，更主要的是降低自身信号的对外干扰。把两根绝缘的铜导线按一定密度互相绞在一起，可以降低信号干扰的程度，每一根导线在传输中辐射的电波会被另一根线上发出的电波抵消。“双绞线”的名字也是由此而来。12612:39qq+q12712:391 / f 噪声是由两种导体的接触点电导的随机涨落引起的，凡是导体接触不理想的器件都存在1/ f 噪声，1/ f 噪声的幅度分布为高斯分布。 1 / f 噪声功率谱密度函数Sf ( f )正比于1/ f，频率越低，这种噪声的功率谱密度越大，在低频段1/ f 噪声的幅度可能很大，所以1/

55、f噪声又叫低频噪声。当频率趋近于零时，Sf ( f )趋近于无穷大（实际上，当频率低到一定程度时，1/ f 噪声的幅度趋向于常数）。12812:39高斯噪声是指噪声指定幅度X出现的概率服从高斯分布的噪声。高斯噪声具有这样的特性：当来自两个以上的噪声有效值(rms)进行合成时，而且提供的这些噪声源都是不相关的（即一种噪声信号不能转换为另一种噪声信号），这样合成的总噪声不是这些噪声的算术和而是它们平方和的平方根(rss)（这意味着噪声功率线性叠加，即平方和相加）。12912:39白噪声是指在给定带宽内噪声功率与频率无关的噪声。电阻的热噪声、PN结的散弹噪声都是白噪声。13012:39功率谱密度函数

56、：设噪声电压x(t)的功率为Px，在角频率与+之间的功率为Px，噪声功率谱密度函数定义为xxPS0lim)(它反映的是噪声功率在不同频率点上的分布情况。噪声谱密度函数：在任何频率范围内将f =1Hz带宽的噪声有效值所定义的函数称为噪声谱密度函数。单位为nV/Hz或pA/Hz 13112:39fEfSennvN/)()/(HzVEn 表示中心频率为 f 的窄带宽f 内的等效输入噪声电压有效值In 表示同样带宽f 内的等效输入噪声电流有效值当带宽f为1Hz时，设等效输入噪声电压en的功率谱密度为Snv( f )，等效输入噪声电流in的功率谱密度为Sni( f )，则 2nE2nI和分别为等效输入噪

57、声电压和电流的功率 2nE2nI和分别表示电压源和电流源的功率谱密度功率谱密度。fEfSnnv/)(2(V2/Hz)fIfSnni/)(2(A2/Hz)噪声源的归一化谱密度经常表示为平方根谱密度fIfSinniN/)()/(HzA13212:39 电力线噪声：133尖峰脉冲：电网大功率开关的通断、大功率设备、电机、变压器的启动、停止等。干扰途径：一般是通过电源系统引入到检测电路中。后果：检测波形畸变，计算机的程序跑飞、死机。污染低压（220V）工频电网的一种主要干扰。12:39 电力线噪声：134工频电磁场：由工频电力线供电的场所（实验室、工厂的生产现场等），都会有一定强度的工频电磁辐射。电网电压波动：电网的欠压、过压。高电压、小电流的工频设备附近存在着较强的工频电场低电压、大电流的工